Hardware

Un ordenador de propósito general tiene cuatro bloques constructivos:

• dispositivos de entrada — introducen datos (teclado, ratón, micrófono, escáner, sensores).
• dispositivos de salida — entregan resultados (monitor, altavoces, impresora, actuadores).
• memoria primaria — memoria rápida a la que accede directamente el procesador (CPU) (RAM y ROM). Almacena el programa en ejecución y sus datos.
• almacenamiento secundario — más lento, de mayor capacidad, mantiene programas y datos cuando no están en uso (disco duro, SSD, disco óptico, memoria USB).

El temario pide explicar por qué cada uno es necesario. Los dispositivos de entrada son necesarios porque el ordenador solo puede trabajar con los datos e instrucciones que han sido introducidos. Los dispositivos de salida son necesarios para presentar los resultados en un formato que las personas puedan utilizar. La memoria principal es necesaria porque el procesador solo puede ejecutar instrucciones y utilizar datos que se almacenan en una memoria a la que puede acceder directamente, y debe llegar a ellos rápidamente. El almacenamiento secundario es necesario porque la memoria principal es volátil y de pequeña capacidad: los programas y datos deben sobrevivir al apagado del equipo, en un almacenamiento más grande y económico, y el almacenamiento amovible permite mover datos entre ordenadores o mantenerlos como copia de seguridad.

Un sistema embebido es una computadora construida dentro de otro dispositivo para realizar una tarea fija (lavadora, microondas, unidad de motor del coche, termostato).

• ventajas: optimizado para una única tarea, por lo que es pequeño, consume poca energía y es barato de fabricar en volumen; fiable, porque ejecuta un programa fijo con pocas posibilidades de fallo; arranca rápidamente y no requiere configuración por parte del usuario; fácil de usar gracias a una interfaz simple.
• inconvenientes: limitado a una sola tarea, por lo que no puede actualizarse para realizar más funciones; difícil de actualizar (su firmware puede requerir herramientas especiales o no poder modificarse en absoluto); complejo de diagnosticar y, generalmente, todo el dispositivo debe reemplazarse cuando falla; si está conectado a una red, puede ser una vulnerabilidad de seguridad, ya que su software rara vez se corrige con parches.

Una pregunta de "describir los inconvenientes" exige que cada inconveniente sea un punto completo: cuál es la limitación y qué significa para el usuario, por ejemplo "el firmware no se puede actualizar, por lo que un fallo de seguridad detectado después no puede solucionarse".

Impresora láser

Una impresora láser escanea la imagen de la página sobre un tambor fotosensible cargado eléctricamente. El toner se adhiere a las áreas cargadas, se transfiere al papel y se funde mediante un fijador. Es rápida, nítida y apta para grandes volúmenes.

Cómo funciona, según los pasos que enumera la guía de calificación:

1. Los datos de la página se envían al búfer de la impresora.
2. Se aplica una carga electrostática uniforme al tambor.
3. Un láser, reflejado por un espejo giratorio, escanea la imagen de la página sobre el tambor, eliminando la carga donde incide, de modo que la carga restante en el tambor coincide con la imagen.
4. El toner, un polvo cargado, es atraído únicamente a las partes cargadas del tambor.
5. El papel recibe la carga opuesta y pasa rodando contra el tambor, transfiriendo así el toner sobre él.
6. El fijador, un par de rodillos calentados, funde el toner dentro del papel. Luego, el tambor se descarga y limpia para la siguiente página.

Impresora 3D

A 3D printer 3D builds an object layer by layer: FDM melts plastic filament through a nozzle; stereolithography cures liquid resin with a UV laser. Used for prototypes and custom medical parts.

Cómo funciona:

1. Se diseña un modelo del objeto en software CAD (o se escanea).
2. El software de segmentación divide el modelo en finas capas horizontales y genera las instrucciones para cada una.
3. La impresora construye el objeto una capa a la vez: una impresora FDM funde filamento de plástico y lo deposita a través de una boquilla móvil; una impresora de resina cura resina líquida con un láser o luz UV; una impresora de polvo une partículas con un láser.
4. Cada capa se une a la capa inferior, y la plataforma (o la boquilla) se mueve un grosor de capa.
5. Cuando se completa la última capa, se elimina cualquier material de soporte. Sus usos incluyen prototipos, piezas médicas personalizadas como prótesis, y repuestos impresos bajo demanda.

Micrófono y altavoces

Un micrófono convierte el sonido en una señal eléctrica (un diafragma vibra, alterando la carga de un condensador o la posición de una bobina); la señal se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital (ADC). Un altavoz realiza el proceso inverso: una señal variable impulsa una bobina dentro de un campo magnético, moviendo un cono para producir sonido.

Cómo funciona un micrófono: las ondas sonoras hacen vibrar un diafragma; en un micrófono dinámico, una bobina unida al diafragma se mueve en un campo magnético, induciendo una corriente variable en ella; en un micrófono condensador, el diafragma es una placa de un condensador cuya capacitancia cambia al moverse; luego, la señal analógica variable se muestrea por un ADC y se almacena como datos digitales. Un altavoz invierte esta cadena: un convertidor digital-analógico (DAC) produce una corriente variable, la corriente en la bobina genera un campo magnético cambiante que empuja contra un imán permanente, la bobina y el cono se mueven hacia adentro y afuera, y el movimiento del cono genera ondas de presión en el aire.

Disco duro magnético (HDD)

Un disco duro almacena datos en platos giratorios recubiertos con material magnético. Cada plato tiene pistas divididas en sectores. Una cabeza de lectura/escritura flota justo encima y magnetiza regiones pequeñas (escritura) o las detecta (lectura). Económico por gigabyte, pero más lento que los SSD y posee partes móviles.

Cómo funciona: los platos giran a alta velocidad (miles de revoluciones por minuto); cada superficie está dividida en pistas concéntricas y cada pista en sectores; las cabezas de lectura/escritura sobre brazos actuadores se desplazan horizontalmente sobre los platos hacia la pista correcta; para escribir, la cabeza magnetiza una región minúscula con una de las dos polaridades, representando 0 o 1; para leer, detecta la polaridad mientras la región pasa debajo de ella. Los retrasos debidos a esperar a que el brazo alcance la pista y a que el sector gire completamente hacen que un disco duro sea más lento que un SSD.

Memoria de estado sólido (flash)

Una unidad de estado sólido almacena datos como carga en transistores, sin partes móviles. Acceso aleatorio más rápido que los HDD, más resistente, menor consumo de energía, pero más costoso por gigabyte; cada celda se desgasta tras muchas escrituras.

Cómo funciona: cada celda es un transistor de compuerta flotante; una carga atrapada en la compuerta flotante representa un bit y permanece allí cuando se apaga la energía; un chip controlador mapea cada dirección a una celda y distribuye las escrituras entre las celdas, porque una celda soporta solo un número limitado de escrituras.

Una pregunta "por qué un servidor usa discos duros en lugar de SSDs" busca la columna izquierda: más barato por gigabyte para grandes capacidades, larga vida bajo reescritura constante y recuperación de datos más fácil.

Disco óptico

Un láser detecta reflexiones desde pequeños surcos en un disco óptico (CD, DVD, Blu-ray). La unidad es un lector/grabador de discos ópticos: la escritura utiliza un láser más fuerte para cambiar la reflectividad de la superficie.

Cómo funciona: el disco lleva una larga pista espiral de surcos y terrenos planos (las zonas planas entre ellos); el disco gira y un láser se enfoca en la pista; la luz reflejada de un terreno plano difiere de la luz reflejada en el borde de un surco, y un sensor de luz lee cada cambio como un 1 y la ausencia de cambio como un 0. La escritura usa un láser más fuerte para cambiar la reflectividad de una capa de tinte o aleación. Un Blu-ray usa un láser azul con longitud de onda más corta, por lo que sus surcos son más pequeños y están más juntos, lo que le permite almacenar más datos que un DVD.

Pantalla táctil

Una pantalla táctil detecta contacto. Resistiva: dos capas conductoras presionadas juntas; funciona con cualquier objeto pero es menos precisa. Capacitiva: un dedo altera un campo de carga; precisa, multitoque, usada en teléfonos.

Cómo funciona: una pantalla resistiva tiene dos finas capas conductoras separadas por espaciadores; al presionar, la capa superior empuja contra la inferior, cerrando un circuito en ese punto, y el controlador lee el voltaje para encontrar las coordenadas. Una pantalla capacitiva tiene una capa de vidrio recubierta con un conductor transparente que mantiene una carga; un dedo que la toca extrae una pequeña corriente, la corriente se mide en cada esquina, y el controlador calcula la posición del toque a partir de las diferencias. Las pantallas capacitivas responden a toques ligeros y varios dedos a la vez, pero no a un dedo con guante ni a un lápiz óptico común.

Auricular de realidad virtual

Un casco de realidad virtual (VR) tiene dos pantallas pequeñas (una por ojo) y sensores de movimiento (acelerómetro, giroscopio) que rastrean el movimiento de la cabeza para que la escena se desplace conforme miras alrededor.

Cómo funciona: cada ojo ve su propia pantalla a través de una lente, y las dos imágenes difieren ligeramente, por lo que el cerebro percibe profundidad; los sensores (acelerómetro, giroscopio, a veces cámaras) informan dónde está la cabeza y hacia dónde apunta; la computadora vuelve a renderizar la escena desde ese punto de vista varias veces por segundo, por lo que girar la cabeza gira la vista; los auriculares proporcionan sonido que coincide con la dirección. Usado para juegos, para entrenamiento como simuladores de vuelo o cirugía, y para ver diseños antes de ser construidos.

Un buffer es memoria que almacena datos temporalmente mientras se transfieren entre dispositivos de diferentes velocidades. Ejemplo: la CPU escribe un documento en el buffer de la impresora rápidamente, luego queda libre para hacer otro trabajo mientras la impresora imprime desde el buffer a su propio ritmo. Los buffers evitan que el dispositivo rápido espere al lento (también se usan en streaming, el teclado y el acceso a disco).

"Explique por qué una impresora 3D necesita un búfer": la computadora envía los datos de impresión mucho más rápido de lo que la impresora puede construir las capas, por lo que los datos se almacenan en el búfer hasta que la impresora está lista para recibirlos, y el procesador queda libre para realizar otras tareas. Cuando el búfer se agota, la impresora envía una interrupción para solicitar más datos (tema 4). Un flujo de video funciona de manera similar: el búfer se llena con anticipación para que una breve caída en la velocidad de red no interrumpa la reproducción.

• RAM (Memoria de Acceso Aleatorio) — volátil (pierde datos sin alimentación). Almacena el SO, programas en ejecución y sus datos; se lee y escribe constantemente.
• ROM (Memoria de Solo Lectura) — no volátil (conserva datos sin alimentación). Generalmente se escribe una sola vez; almacena el firmware necesario durante el arranque (el BIOS / cargador de arranque).

La ROM inicia el sistema; la RAM luego mantiene el trabajo activo.

Más RAM permite a una computadora mantener más programas y datos a la vez, por lo que intercambia menos entre memoria y disco y corre más rápido; esa es la respuesta a "explique por qué la computadora con más RAM tiene mejor rendimiento".

La misma división de memoria es importante en un dispositivo portátil: su programa fijo debe permanecer disponible tras apagarlo, mientras que sus lecturas en vivo cambian durante el uso.

• SRAMRAM (Memoria RAM Estática) almacena cada bit en un flip-flop de varios transistores. Rápida, pero costosa y poco densa. Se utiliza para la cache de CPU.
• DRAMRAM (Memoria RAM Dinámica) almacena cada bit como carga en un condensador minúsculo. Más barata y densa, pero más lenta, y debe ser refrescada (reescrita) miles de veces por segundo. Se utiliza para la memoria principal.

Use SRAM para memoria pequeña y rápida (cache); DRAM para memoria principal grande.

"Explique por qué el sistema embebido usa DRAM": necesita una gran cantidad de memoria a bajo costo en un espacio pequeño, y su requisito de velocidad es modesto, por lo que la DRAM más barata y densa es la opción correcta; la SRAM se mantiene para la caché pequeña donde la velocidad es más importante.

Variantes de ROM que puede programar después de la fabricación:

• PROM (Programmable ROM — ROM Programable) — escrita una sola vez (fusibles quemados por un programador); no se puede cambiar.
• EPROM (Erasable Programmable ROM — ROM Programable Borrable) — borrada con luz UV intensa a través de una ventana, luego reescrita (todo el chip a la vez).
• EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM — ROM Programable Borrable Eléctricamente) — borrada y reescrita eléctricamente, byte por byte, en circuito. La memoria Flash es una derivación optimizada para borrado por bloques.

"Da dos diferencias entre EPROM y EEPROM" pide dos filas de esta tabla, cada una expresada para ambos tipos.

Ambos leen sensores; la diferencia es lo que hacen después.

• monitorización — recopila e informa datos pero no toma acciones (una estación meteorológica registrando lecturas).
• sistema de control — utiliza los datos del sensor para decidir y actuar a través de actuadores, generalmente en un bucle de retroalimentación (un termostato encendiendo o apagando una caldera).

La respuesta de "describir las diferencias" de tres puntos: un sistema de monitorización solo mide, registra o muestra las lecturas, y como máximo emite una advertencia; un sistema de control compara cada lectura con un valor predeterminado y, si está fuera del rango, envía señales a los actuadores que modifican el proceso físico; el cambio se vuelve a medir, por lo que un sistema de control contiene retroalimentación y un sistema de monitorización no. Si un sistema dado es uno u otro se decide mediante esta prueba: un sistema de puente que mide la altura de un vehículo y activa una señal de aviso es de monitorización, porque nada de lo que hace cambia al vehículo; un sistema que baja una barrera es de control.

Ejemplo resuelto. Describe cómo un sistema automatizado abre una puerta cuando una persona está a menos de 2 metros y la cierra cuando no hay nadie.

Un sensor infrarrojo o ultrasónico mide la distancia a cualquier objeto frente a la puerta; la lectura analógica se convierte a digital mediante un ADC y se envía al procesador; el procesador compara la distancia con los 2 metros preestablecidos; si es menor, el procesador envía una señal al actuador (un motor) para abrir la puerta; el sensor sigue midiendo, y cuando no se recibe ninguna lectura inferior a 2 metros, el procesador indica al motor que cierre la puerta. La medición repetida después de cada acción es la retroalimentación que evita que la puerta se abra y cierre en momentos incorrectos.

Sensores y actuadores

Un sensor convierte una magnitud física en una señal: temperatura (un termistor o termopar), presión (galga extensiométrica), infrarrojo, sonido. Las señales analógicas necesitan primero un ADC. Un actuador hace lo contrario: convierte una señal en una acción (un motor, válvula, calefactor, zumbador).

Retroalimentación

En un sistema de control, el actuador cambia el entorno, que luego los sensores vuelven a medir: un bucle de retroalimentación. Sin retroalimentación, el sistema no puede corregirse ni saber cuándo detenerse (un termostato sin retroalimentación de temperatura seguiría calentando indefinidamente).

Una puerta lógica es un pequeño circuito que realiza una única operación Booleana. Las entradas y salidas son 0 (falso, bajo) o 1 (verdadero, alto). Conoce el símbolo, la función y la tabla de verdad de cada puerta.

NOT (invertidor)

AND — salida 1 solo si todos los inputs son 1

OR — salida 1 si al menos un input es 1

NAND (NOT AND) — salida 0 solo cuando todos los inputs son 1

NOR (NOT OR) — salida 1 solo cuando todos los inputs son 0

XOR (Exclusive OR, también llamado EOR) — salida 1 si los inputs son diferentes

Un circuito lógico es una red de puertas que ejecuta una expresión Booleana. Debes poder desplazarte entre un enunciado de problema, una expresión lógica, una tabla de verdad y un diagrama de circuitos.

El examen escribe expresiones en palabras, X = (A AND NOT B) OR (B AND C), y acepta la forma algebraica $X = A\overline{B} + BC$ donde un punto (o nada) es AND, un signo más es OR, y una barra es NOT. Usa la que utilice la pregunta.

De expresión a circuito

Dibuja una compuerta por operador y conéctalos. Para $X = (A \text{ AND } B) \text{ OR } (\text{NOT } C)$: una compuerta NOT sobre $C$, una compuerta AND sobre $A$ y $B$, luego una compuerta OR sobre los dos resultados.

De circuito a expresión

Trabaja hacia adelante desde las entradas, etiquetando la salida de cada compuerta, hasta llegar a la salida final.

Ejemplo resuelto. Escribe la expresión del circuito siguiente, luego completa su tabla de verdad.

Etiqueta las salidas de las compuertas: $P = A \text{ AND NOT } B$, $Q = B \text{ AND } C$, así $X = P \text{ OR } Q = (A \text{ AND NOT } B) \text{ OR } (B \text{ AND } C)$. Luego dale a la tabla de verdad una columna por cada salida intermedia, para que cada fila pueda verificarse una compuerta a la vez:

Dibujar un circuito a partir de una expresión es el mismo recorrido en reversa: comienza desde los paréntesis más internos, dibuja una compuerta por operador, dibuja una compuerta NOT en el cable de cualquier entrada que aparezca con NOT, mantén las entradas a la izquierda y la única salida a la derecha, y etiqueta la salida con su letra. Cada línea debe terminar en una entrada de compuerta o en la salida; una línea que no va a ningún lado pierde puntos.

De circuito a tabla de verdad

Para $n$ entradas hay $2^{n}$ filas. Enumera cada combinación de entradas; para cada una, calcula las compuertas internas y luego la salida.

De tabla de verdad a expresión (suma de productos)

Para cada fila que tiene salida 1, escribe un AND de las entradas (con NOT en cualquier entrada que sea 0 en esa fila); OR estas juntas. Ejemplo: una tabla que es 1 solo en $(A=0,B=1)$ y $(A=1,B=0)$ da $\overline{A}B + A\overline{B}$, que es $A \text{ XOR } B$.

De un enunciado de problema

Convierte el inglés a una expresión booleana primero: "A y B" → A AND B; "A o B o ambos" → A OR B; "exactamente uno de A y B" → A XOR B; "ni A ni B" → A NOR B; "no ambos" → A NAND B.

Ejemplo resuelto. La alarma de una máquina $X$ suena cuando la puerta está abierta ($A=1$) y ya sea el motor está en marcha ($B=1$) o la temperatura es alta ($C=1$). Escribe la expresión booleana y da las filas donde $X=1$. Convierte el inglés a lógica una cláusula a la vez: "ya sea B o C" es $B + C$, y "A y eso" es $X = A\cdot(B + C)$. Para las filas, $X=1$ necesita $A=1$ y al menos uno de $B$, $C$ igual a 1 - así $(A,B,C) = (1,0,1)$, $(1,1,0)$ y $(1,1,1)$, tres filas de ocho. Nota que $A=0$ nunca puede sonar la alarma, sin importar qué hagan $B$ y $C$. Encierra entre paréntesis el OR antes de hacerle AND: $X = A\cdot B + C$ es un circuito completamente diferente, uno que sonaría la alarma por alta temperatura incluso con la puerta cerrada.

Celdas Flash y sensores de luz

En una celda flash de compuerta flotante, una compuerta flotante aislada atrapa carga sin alimentación continua. Un voltaje en la compuerta de control se utiliza para programar o leer la celda; la carga atrapada cambia el umbral de voltaje en el que el transistor conduce, por lo que el circuito de lectura distingue los estados almacenados. La borrado elimina la carga atrapada. El Flash NAND conecta celdas en cadenas y es adecuado para almacenamiento masivo denso; el Flash NOR permite acceso directo a ubicaciones individuales, útil para firmware. Ninguno requiere piezas móviles.

Un sensor de luz mide la intensidad luminosa, por ejemplo, para controlar una farola cuando cae la luz diurna. Su señal analógica puede pasar por un ADC antes de que el procesador la compare con un umbral. Indica la magnitud física medida, la conversión si es necesaria y la acción de control resultante.

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprende estas definiciones exactamente, y da solo una respuesta.

• Distingue RAM (volátil, lectura/escritura) de ROM (no volátil, contiene el bootstrap); SRAM (caché, más rápida) de DRAM (memoria principal, necesita refresco).
• Para un circuito lógico, construye la expresión booleana compuerta por compuerta, luego una tabla de verdad que cubra todas las combinaciones de entradas.
• Aprende el símbolo, la expresión y la tabla de verdad de cada compuerta (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR).
• Explica un búfer (un almacenamiento temporal que puentea dos velocidades distintas) y el papel de una interrupción.

Errores comunes

• Nombrar el dispositivo en lugar de describir su funcionamiento. "Usa un láser" no otorga puntos; los pasos (cargar el tambor, el láser elimina la carga, el tóner es atraído, transferido, fundido) sí otorgan puntos.
• Decir que un sistema de monitoreo "controla" algo. Si nada modifica el proceso físico, es monitoreo; agrega el actuador y la retroalimentación y se convierte en control.
• Escribir que RAM "almacena archivos permanentemente" o que ROM "almacena los datos del usuario". RAM es memoria de trabajo volátil; ROM contiene las instrucciones de arranque fijas.
• Una tabla de verdad con menos de $2^{n}$ filas, o filas en orden aleatorio. Cuenta en binario de 000 a 111 para no omitir ninguna combinación.
• Dibujar dos líneas desde una salida de una compuerta por seguridad, o dejar un cable que termina en ningún lado. Dibuja exactamente las conexiones que necesita la expresión.